Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

вынужден вмешаться и поставить точку. Но как это выглядит на деле? Тут мы знакомимся с особым классом ДНК-/РНК-мотивов, которые завораживают меня уже много лет. Это экзонные энхансеры сплайсинга (ESE). Похоже, именно они помогают нам дать отпор генетическому хламу.

Когда интроны огромны, а экзоны крошечные, найти экзонный островок в океане последовательностей становится настоящим испытанием. Представьте потерпевших кораблекрушение на необитаемом острове — они разводят сигнальный костер, чтобы проплывающие суда заметили клочок суши посреди моря. Точно так же работают наши экзонные энхансеры сплайсинга. Что они собой представляют? РНК ведь не разжигает костры! Чтобы разобраться, давайте поразмыслим, каким образом клетка определяет, где в цепочке нуклеотидов РНК заканчивается интрон.

В РНК есть особые участки — «сайты сплайсинга». Это характерные последовательности из нескольких нуклеотидов, расположенные по обе стороны от границы между экзоном и интроном. Сайты бывают сильными и слабыми. Сильный сайт способен самостоятельно подать четкий сигнал: «Эй, сплайсосома, сюда! Резать здесь!» Слабые сайты справляются с этой задачей лишь иногда. У дрожжей интроны маленькие, а сайты сплайсинга — сильные. У нас интроны огромные, а сайты — слабые. Дрожжи не знают наших проблем. У дрожжей еще и популяции большие. Повезло дрожжам!

И все же мы не дрожжи, поэтому нам приходится встраивать дополнительные указатели, которые подскажут системе, куда двигаться и где делать разрез. Тут-то и выходят на сцену мои обожаемые ESE. У границ экзонов мы обнаруживаем короткие последовательности нуклеотидов (примерно шесть оснований), обладающие особой «липкостью» — они притягивают и удерживают на РНК так называемые SR-белки. В этих ESE много аденина и гуанина (особенно аденина). Последовательности вроде AGGAGG и AAGAAG считаются сверхлипкими. SR-белки — это специализированные белки, которые садятся на РНК и привлекают аппарат сплайсинга. Фактически они сообщают клетке: «Где-то здесь поблизости ты найдешь сайт сплайсинга». Поскольку эти особые последовательности нуклеотидов усиливают процесс сплайсинга, их и назвали экзонными энхансерами сплайсинга. Это сигнальные костры, пылающие на крошечных островках в океане мусорной ДНК.

Наши гены используют ESE активнее, чем гены любых других организмов. Целых 30–40% нуклеотидов у границ наших экзонов представляют собой ESE, которые притягивают SR-белки. Как вы думаете, в каких экзонах плотность ESE будет особенно высокой? Если вы предположили, что в тех, которые соседствуют с большими интронами, вы абсолютно правы (рис. 8.1). Именно такие экзоны сложнее всего правильно распознать.

Рис. 8.1. Плотность мотивов экзонных энхансеров сплайсинга (ESE) у границ экзонов в зависимости от натурального логарифма размера прилегающих интронов

Плотность ESE у границ экзонов можно довольно точно предсказать: в пределах одного вида она зависит от размера соседних интронов, а при сравнении разных видов — от среднего размера интронов в геноме. Виды с раздутыми геномами вроде нас, обремененные огромными интронами, критически зависят от ESE, без них система просто не найдет, где делать разрезы в РНК. ESE — это наше средство борьбы с разбухшим геномом. Впрочем, рекорд по плотности ESE принадлежит не нам, а необычной бурой водоросли Ectocarpus, одной из разновидностей морских водорослей. У нее, как и у нас, интронных последовательностей хоть пруд пруди (рис. 8.2).

О том, насколько правильность сплайсинга у человека зависит от ESE, красноречиво свидетельствуют необычные болезнетворные мутации. У всех видов мутации в сайтах сплайсинга нарушают вырезание интронов и приводят к генетическим заболеваниям. Но виды вроде человека, которые полагаются на ESE, расположенные рядом с сайтами сплайсинга, но не в них самих, оказываются еще уязвимее. Мутации в нашей ДНК, повреждающие ESE в соответствующей РНК, способны нанести серьезный вред. Ведь из-за них мРНК будет неправильно сплайсирована, а значит, и белок получится дефектным.

Возможно, именно так работают многие мутации, меняющие аминокислоту (миссенс-мутации) или создающие стоп-кодон (нонсенс-мутации), — они разрушают ESE и тем самым нарушают сплайсинг, что и приводит к болезни. Впрочем, ESE-мутации могут быть и синонимичными, то есть заменять кодон на другой, кодирующий ту же самую аминокислоту. Возьмем одну из форм тугоухости под названием DFNA8/12, которая развивается из-за мутаций в гене TECTA. Виновница болезни — мутация, превращающая кодон CTG (кодирует лейцин) в CTA (тоже кодирует лейцин). Обычно мы считаем такие мутации «молчащими» и полагаем, что они ни на что не влияют, эволюционируют нейтрально и уж точно не могут вызывать заболевания. Но не в нашем случае. Эта единственная синонимичная замена резко снижает сцепление РНК с SR-белком SC35. SC35 довольно привередлив: он предпочитает мотивы с обилием цитозинов, например GGCCCCTG. Обратите внимание на CTG в конце последовательности. Утрата способности притягивать SC35 приводит к сбою сплайсинга, целый экзон выпадает из зрелой мРНК. К счастью, длина этого экзона составляет 111 нуклеотидов — число, кратное трем, — поэтому рамка считывания не сбивается и остальной белок синтезируется правильно. Но даже потеря 37 аминокислот оказывается достаточной для развития глухоты.

Рис. 8.2. Обогащение экзонными энхансерами сплайсинга различных модельных видов в зависимости от доли генной последовательности, представленной кодирующими участками (то есть не интронными). Обратите внимание, что относительно небольшая часть генов человека кодирует белки — они состоят преимущественно из интронов — и, как у схожих видов с большим количеством интронных последовательностей, содержат множество экзонных энхансеров сплайсинга. Показатель обогащения экзонными энхансерами сплайсинга здесь представляет собой долю аминокислот, демонстрирующих смещенное использование вблизи границы между экзоном и интроном. Данные взяты из Wu, X. et al., "Evidence for deep phylogenetic conservation of exonic splice-related constraints: splice-related skews at exonic ends in the brown alga Ectocarpus are common and resemble those seen in humans," Genome Biology and Evolution 5 (2013): 1731–1745

Вопрос о том, как часто мутации сплайсинга становятся причиной генетических заболеваний, до сих пор вызывает споры. Оценки варьируются от 10% до 50% всех наследственных болезней, но наиболее вероятной представляется доля в 25–30%. Недавние исследования показывают, что болезнетворные нонсенс-мутации (создающие стоп-кодоны) часто попадают именно в те участки, которые раньше были ESE, и особенно часто встречаются у границ экзонов, там, где мутации с большей вероятностью нарушат процесс сплайсинга. Свежие данные говорят о том, что примерно 30% нонсенс-мутаций, связанных с заболеваниями, вредят организму не столько из-за прямого повреждения белка, сколько из-за нарушения сплайсинга. Что касается синонимичных мутаций, мы пока не знаем точно, какая их доля наносит вред: оценки колеблются от нескольких процентов до 20%. Эта область остается предметом активных исследований.

Теперь мы точно знаем: границы наших экзонов устроены необычно. В них сконцентрированы ESE, и эволюционируют они крайне медленно — мутации там возникают и оказываются вредными, поскольку нарушают сплайсинг. Именно поэтому